UNIST, 리튬이온 배터리 전극 불안정성 해결
부피 팽창에 의한 실리콘 기반 음극 열화 막고
불산 제거해 니켈 용출 현상 억제, 수명 늘려


전기차(EV)를 비롯한 대용량 배터리 수요가 늘면서 상용 리튬이온 배터리의 전극을 고용량 소재인 실리콘과 하이니켈로 대체하려는 연구가 활발하다.

하지만 실리콘 음극은 충·방전 시 부피가 3배 이상 늘었다 주는 현상을 반복하여 기계적 내구성이 약하며, 하이니켈 양극 또한 화학적으로 불안정하다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 최남순, 곽상규 교수, 화학과 홍성유 교수로 구성된 연구팀은 14일, 대용량 리튬이온 배터리 개발의 난제인 전극 소재의 불안정성을 해결하는 배터리 전해액 첨가제를 개발했다.

연구팀은 실리콘 기반 음극에 안정하고 유연한 고분자 보호막을 형성하고 배터리 열화의 원인인 불산을 효과적으로 제거하는 기능성 전해액 첨가제 2종(△DMVC-OCF3, △DMVC-OTMS)을 개발했다. 고용량 실리콘 기반 음극과 니켈 리치 양극이 적용된 리튬이온 배터리에 도입해 성능도 확인했다.

첨가제는 실리콘 기반 음극의 부피 팽창에 의한 열화를 막고(DMVC-OCF3), 불산 제거를 통해 니켈 리치 양극으로부터 니켈의 용출 되는 현상을 억제(DMVC-OTMS)해 배터리 수명을 늘린다. 실리콘 음극에 생긴 보호막은 리튬이온 투과성이 높아 배터리 급속 충전을 가능케 한다.

연구팀은 2종의 첨가제를 하이니켈 양극과 실리콘 혼합 음극으로 구성된 대용량 배터리에 투입했고, 400회 충·방전 후에도 처음 용량의 81.5%를 유지하는 것을 확인했다. 이는 상용 첨가제인 플로로에틸렌카보네이트(FEC)나 바닐렌카보네이트(VC)보다 10%~30% 향상된 성능이다.

공동 제1 저자인 박세원 UNIST 에너지화학공학과 박사 과정 연구원은 “전지를 20분 이내에 고속 충전하는 실험에서도 100회 동작 후에 1.9%의 용량 감소만 나타났다”라고 덧붙였다.

한국에너지기술평가원(KETEP)의 ‘에너지기술개발사업’과 한국연구재단(NRF)의 ‘기후변화대응기술개발사업’의 지원으로 이뤄진 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 5일 자에 영향력 있는 논문(Editors’ Highlights)으로 소개됐다.